NESC desenvolve método para estimar riscos ao reduzir EQM

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A realização de avaliações não destrutivas (EQM) pode ter impactos tanto nos custos quanto no cronograma, levando alguns a questionar se seria possível desescopar (ou seja, reduzir ou eliminar) as inspeções de EQM em determinados equipamentos de voos espaciais. No entanto, esta abordagem seria contrária ao Padrão Técnico NASA-STD-5019A da NASA, que descreve os requisitos do sistema de voo espacial para estabelecer um plano de controle de fraturas – um plano que se baseia em projeto, análise, testes, EQM e rastreamento de peças críticas à fratura para verificar a tolerância a danos e mitigar falhas catastróficas.

De acordo com a estrutura 5019A, presume-se que existam danos menores do que a capacidade de detecção de EQM, mas por meio de análise ou teste, deve-se demonstrar que a peça que está sendo avaliada sobrevive à vida útil exigida. Na prática, o papel da EQM é eliminar falhas que, de outra forma, poderiam resultar em fracasso. No entanto, em alguns casos, separar a EQM do processo de verificação de tolerância a danos pode ser útil e ainda fornecer o nível de segurança necessário.

O NESC conduziu uma avaliação para ajudar a responder à questão de saber se poderia ser encontrada uma justificativa para alcançar uma postura de risco equivalente sem usar a abordagem tradicional 5019A para tolerância a danos. O objetivo era desenvolver um método de análise probabilística que permitisse aos programas e projetos da NASA estimar o risco associado à descoberta dos requisitos de EQM de materiais forjados individualmente. Esse esforço incluiu o uso de dados históricos para demonstrar o método, realizar estudos de sensibilidade e identificar os dados de apoio mínimos que seriam necessários para aprovar uma solicitação de descoping.

Descobrindo a EQM da tolerância a danos

A tolerância ao dano é normalmente tratada como determinística: um limite de detecção de EQM é estabelecido como um tamanho fixo de falha com um resultado binário associado (a falha existe/não existe), e a falha é baseada em uma análise conservadora ou teste com um resultado binário (aprovado/reprovado). No entanto, a tolerância a danos está enraizada nas seguintes probabilidades:

• P(A): Probabilidade de existir uma falha de um determinado tamanho,

• P(D0│UM): Probabilidade de que esta falha não seja detectada pela EQM, e

• P(F│D0,UM): Probabilidade de que uma falha resulte em falha, uma vez que existe e foi ignorada pela EQM.

Estes são combinados na probabilidade de falha da junta: P(F,D0,A) = P(F│D0,A)P(D0│A)P(A)

A tolerância a danos é baseada na ideia de que análises e testes sugerem uma probabilidade próxima de zero de falha abaixo de um tamanho crítico de falha inicial. (umCIFS) mostrado pela seta verde (inferior) na Figura 1, e a EQM resulta em uma probabilidade quase zero de perder uma falha acima de algum limite de detectabilidade (umEQM) mostrado pela seta amarela (superior) na Figura 1. Se essas duas áreas se sobrepõem, então a peça é tolerante a danos, com uma probabilidade de falha próxima de zero, independentemente da probabilidade subjacente de existência de falha, ou seja, assumindo conservadoramente que P(a>aCIFS)=1 para qualquer tamanho de falha não afeta a conclusão. No entanto, se o escopo da EQM for removido, a seta para a direita da Figura 1 será removida e o risco aumentará para um valor proporcional à probabilidade P(a>aCIFS).

Estimando P(a>aCIFS) pode ser intratável sem métodos caros e de alta resolução para caracterizar a frequência de ocorrência de falhas em um tamanho específico para uma determinada peça. Alternativamente, pode ser possível estimar P(uma> umEQM)a probabilidade de existência de uma falha detectável. Supondo que uma parte de interesse seja tolerante a danos antes de qualquer análise de EQM (ou seja, satisfazendo NASA-STD-5019A), pode-se presumir que (1) dados históricos de inspeção estão disponíveis e (2) umEQM > umCIFSdevido à sobreposição necessária na Figura 1. Como tal, foi proposto que a frequência de descobertas históricas pudesse ser usada para estimar um limite de confiança superior de 95% em P(uma> umEQM) e, portanto, uma estimativa do risco associado à descoping.

Para demonstrar a estrutura de avaliação de risco, o NESC obteve acesso a uma base de dados histórica de EQM que compreende 33.630 inspeções pontuais durante um período de 3 anos. No total, seis características semelhantes a crack foram encontradas pela NDE. A contabilização da incerteza devido ao tamanho da amostra produziu um limite superior de confiança de 95% P(uma> umEQM) = 0,04% para cada furo. No método proposto, assume-se de forma conservadora que se existir uma falha que exceda o CIFS, então isso levará à falha estrutural. Embora conservadora, esta suposição foi necessária com base nas limitações do banco de dados, pois não havia dimensionamento de falhas detectadas. Com base nesta suposição, P(uma> umEQM) = 0,0004 produz uma confiabilidade estrutural de aproximadamente 0,9996 (expressa como 3,4 “nove”).

Os resultados são ilustrados graficamente na Figura 2. Neste estudo de caso, aumentar o número de inspeções no conjunto de dados para 100.000 (ou seja, multiplicar por um fator de 3) aumenta marginalmente o número de noves para 3,5. Na taxa de rejeição de EQM observada, 4 noves de confiabilidade não são alcançáveis, mesmo com amostras infinitas e incerteza zero. Espera-se que as taxas de rejeição e os tamanhos das amostras neste estudo de caso sejam da ordem de grandeza do que seria observado e disponível na prática. Como 2 noves ou menos equivaleriam a um aumento significativo em relação ao risco de base para os programas de voos espaciais tripulados da NASA, é necessário um tamanho mínimo de amostra de 5.000 inspeções, com uma taxa de rejeição de EQM de 0,04%.

Existem suposições necessárias que sustentam esta metodologia. Primeiro, o controle do processo invariante no tempo é necessário para garantir que as probabilidades estimadas das inspeções históricas sejam preditivas das probabilidades futuras após o escopo. Garantir a consistência durante o período de recolha de dados é um primeiro passo na verificação dos controlos existentes, e a monitorização contínua é necessária para verificar se o processo permanece invariante no tempo. Em segundo lugar, embora a agregação de dados em múltiplas partes possa aumentar o tamanho da amostra de inspeção e diminuir a incerteza nas taxas de rejeição estimadas, requer uma lógica de agregação através de avaliações qualitativas e quantitativas de similitude. A metodologia desenvolvida pelo NESC pretende ser um componente de uma avaliação abrangente de controle de fraturas pelo Conselho de Controle de Fraturas da NASA e pela Autoridade Técnica responsável.

Para obter informações, entre em contato com Patrick E. Leser. patrick.e.leser@nasa.gov

Referência: NASA/TM-20250004074